F020 - L4 Switch

✍️ 소켓 프로그래밍과 OSI 7 Layer, TCP/IP 모델에 대해 멘토링 시간에 자연스럽게 로드 밸런싱과 서버 과부하를 방지할 수 있는 방법에 대한 주제가 나왔다.

하지만 해당 주제로 이야기를 나누면서 대부분의 용어를 이해하지 못했기에 이번 시간을 통해서 L4 스위치에 대해 공부해보고자 한다!

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각 계층 별 사용되는 장비

📍 L1 - 허브, 리피터
: 비트 신호를 전기 신호 바꿔 송신하거나 그 반대로 전기 신호를 데이터 링크 계층에 송신하기 위해 비트 신호로 디코딩 하는 과정을 수행한다. 이에 속하는 장비로는 허브, 리피터 등이 있으며 과거의 허브(더미 허브)는 연결된 모든 장비에게 데이터를 전송하고, 데이터를 수신한 장비는 헤더를 해체하여 MAC 주소를 확인하고 해당 주소와 자신의 주소가 다르다면 수신한 데이터를 버리는 작업을 수행한다. 이렇게 연결된 모든 장비에게 데이터를 전송하는 것을 브로드캐스팅이라고 하는데, 이 때 발생할 수 있는 문제점으로는 신호 충돌(콜리전)이 발생 할 수 있다.

📍L2 - 스위치
: 데이터 링크 계층에서 사용되는 장비로 스위치가 여기에 해당한다. 스위치는 기본적으로 허브와 동일한 기능을 수행하지만 허브처럼 연결된 모든 장비에게 데이터를 전송하지 않는다. 그 이유는 스위치 내부에 MAC 테이블이 존재하고 여기에는 각 이더넷 포트에 연결된 장비의 고유 물리 주소를 저장하고 있기 때문에, 허브로 수신된 데이터의 헤더에 있는 MAC 주소를 MAC 테이블에 존재하는지 확인하고 일치하는 장비에게만 데이터를 전송한다.

📍 L3 - 스위치 + 라우터
: 전송 계층에 위치하는 스위치를 뜻하며, IP 혹은 IPX 주소를 읽어 데이터를 목적지로 스위칭한다. 스위치에서 라우팅 기능을 추가한 장비인데, 여기서 라우팅은 목적지로 가기 위한 최적의 경로를 탐색하도록 하는 기능이다. 때문에 브로드캐스팅으로 인한 트래픽 과부하를 방지해 전체적인 성능 저하를 예방할 수 있다.

📍 L4 - 로드 밸런서
: 서버 부하를 분산을 위해 로드밸런싱 처리를 하는 장비이다. Port 번호를 구분하여 스위칭하거나 응용 계층이나 전송 계층의 프로토콜(HTTP, TCP, UDP, FTP 등)을 확인하고 해당 프로토콜에 맞게 스위칭하는 기능을 제공한다. L4 스위치는 가상 서버의 역할을 하기도 하는데, 클라이언트가 요청을 보내면 해당 요청을 먼저 L4 스위치에서 분석을 하고, 분석을 통해서 리얼 서버로 다시 요청을 보내기 때문이다.

L4 Switch

L4 스위치는 앞에서 공부했던 것 처럼 Port 번호를 이용해 스위칭 혹은 프로토콜 분석을 통한 스위칭하는 방법으로 로드 밸런싱을 구현하는데, 이를 L4 Load Balancing, L7 Load Balancing 이라고 한다. OSI 7 Layer의 전송 계층과 응용 계층의 프로토콜을 분석하기 때문에 해당 계층의 명칭을 가져와 사용하고 있다.

그렇다면 이 두 가지 로드 밸런싱의 차이점은 무엇일까?

📍 L4 Load Balancing
: 데이터 패킷에서 전송 계층의 프로토콜 헤더를 분석하고 IP 주소와 Port 번호를 가지고 스위치에 연결된 리얼 서버로 요청을 송신하여 서버의 부하를 분산한다.

📍 L7 Load Balancing
: 응용 계층의 프로토콜 헤더를 분석하고 각 프로토콜에 맞는 리얼 서버로 요청을 송신한다. 또한 응용 계층의 프로토콜 헤더를 분석이 가능하므로 하위 계층인 전송 계층의 TCP, UDP 등의 프로토콜 헤더까지 분석이 가능하다. 하지만 사용자 요청을 로드 밸런싱 할 때, 응용 계층의 프로토콜 헤더를 분석하지 않아도 리얼 서버에 분산 할 수 있다면 응용 계층 프로토콜 헤더를 분석하는 것은 자원을 낭비하고, 부하가 발생 할 수 있는 가능성이 생긴다.

이렇게 L4 스위치에서 사용되는 L4 / L7 Load Balancing은 상황에 맞게 사용되어야 한다. L7 Balancing 에도 있는 내용이지만, 모든 장비에 있어서 연산 처리를 수행한다는 것은 존재하고 있는 자원을 소모한다는 의미를 가지는데, 분산 처리하는 리얼 서버들을 응용 계층의 프로토콜 기준으로 나뉘어진게 아니라면 굳이 L7 Balancing을 채택하지 않아도 된다.

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참고 사이트

L4 스위치 쉽게 이해하기 #1(L4 스위치의 개요)

 

L4/L7 로드밸런싱 쉽게 이해하기